作为最轻的金属结构材料,镁合金具有比强度和比刚度高、加工性能优良、资源丰富和易于回收再利用等优点,在汽车、航空和航天等领域有广阔的应用前景。尽管如此,大多数镁合金为密排六方晶体结构,塑性变形能力较差,故镁合金的成形加工和工业应用均受到一定的限制。细化晶粒已被证明是提高镁合金力学性能的有效途径。搅拌摩擦加工是一种新型的剧塑性变形加工技术,它具有应变速率高、塑性变形量大等特点,在制备细晶乃至超细晶金属材料方面具有较大的潜力。水下搅拌摩擦加工因冷却速度快而具有更为显著的晶粒细化效果。鉴于此,本课题以AZ系镁合金(轧制单相AZ31镁合金和铸态双相AZ91镁合金)为研究对象,考察水下搅拌摩擦加工工艺对材料组织的影响,分析材料的组织演变机理,通过工艺参数优化,制备细晶镁合金,并深入考察该类新材料的组织与力学行为特性,尤其是超塑性变形行为,为搅拌摩擦加工细晶镁合金材料的制备及其应用提供理论依据和关键技术。首先,分别在空气中和水下对轧制单相AZ31镁合金进行搅拌摩擦加工,研究旋转速度对两种搅拌摩擦加工合金组织和力学性能的影响,记录加工过程中的热历史,从组织演变和温度测量方面探讨不同介质中搅拌摩擦加工AZ31镁合金的组织细化机理。随着旋转速度的增加,空气中和水下搅拌摩擦加工合金搅拌区的面积、底部尺寸和平均晶粒尺寸均增加。与空气中加工相比,水下搅拌摩擦加工可以制备组织更为细小的AZ31镁合金。温度预测和组织观察表明两种加工过程中的组织细化机制均为连续动态再结晶。搅拌摩擦加工后,合金搅拌区的显微硬度大幅提高。此外,两种搅拌摩擦加工AZ31镁合金的抗拉强度均较母材有所降低、伸长率则显著提高。随着旋转速度的增加,两种加工合金的抗拉强度和伸长率均降低。水下搅拌摩擦加工合金具有比空气中加工合金更优异的综合力学性能。其次,选择铸态双相AZ91镁合金为研究对象,系统分析随着加工参数(旋转速度和加工速度)的变化,空气中和水下搅拌摩擦加工合金显微组织、显微硬度和拉伸性能的变化规律,同时重点比较两种加工合金的显微组织、热历史和力学性能,探讨在不同介质中的晶粒细化机制。由于第二相的存在,搅拌摩擦加工可以制备比AZ31镁合金组织更细小的AZ91镁合金。此外,空气中和水下搅拌摩擦加工合金搅拌区的晶粒尺寸随着旋转速度、加工速度呈不同的变化规律,这主要与材料变形程度和热量输入有关。由于峰值温度更低、高温停留时间更短和冷却速度更快,故水下搅拌摩擦加工可以制备组织更为细小、力学性能更好的AZ91镁合金。此外,当旋转速度为800 rpm、加工速度为60 mm/min时,水下搅拌摩擦加工技术可以制备本实验晶粒尺寸最为细小的AZ91镁合金(1.2μm)。第三,在搅拌摩擦加工制备的AZ31和AZ91镁合金的基础上,分别选择旋转速度900 rpm、加工速度60 mm/min的空气中和水下搅拌摩擦加工AZ31镁合金以及旋转速度800 rpm、加工速度60 mm/min的空气中和水下搅拌摩擦加工AZ91镁合金进行高温拉伸,对超塑性变形过程中的组织演变、变形机制和断裂机制进行研究。结果表明,与AZ31相比,AZ91镁合金具有良好的超塑性,尤其在623 K和2×10-2 s-1时,超塑性伸长率高达990%,材料具有优异的高应变速率超塑性。通过组织观察和激活能计算可知,晶界滑移是主要的超塑性变形机制。在变形过程中,孔洞主要在晶界三交叉处和第二相颗粒附近出现,组织的粗化、孔洞的长大与连接为主要的断裂机制。最后,在搅拌摩擦加工AZ91镁合金组织、常温力学性能和超塑性等研究的基础上,对不同初始状态下(铸态和铸态经预先固溶处理)AZ91镁合金进行搅拌摩擦加工,研究搅拌摩擦加工合金组织和力学性能的变化,并对加工合金进行随后时效热处理,探究时效处理对合金第二相析出和力学性能的影响,分析热处理对水下搅拌摩擦加工合金超塑性性能的影响。预先固溶处理可使搅拌摩擦加工合金晶界处β-Mg17Al12相充分溶解到基体中。时效处理可使β-Mg17Al12相在晶内连续析出和晶界非连续析出。预先固溶处理可显著改善合金的塑性,随后时效处理则可大幅提高合金的强度。此外,水下搅拌摩擦加工合金经固溶时效热处理后具有良好的超塑性性能。